電氣仿真工程師關于巴黎圣母院火災原因的仿真分析

2019年4月15日下午6點50分，法國的巴黎圣母院慘遭火災，人類的一大瑰寶，灰飛煙滅，整個世界為之震驚，讓人們有開始重視了火災的隱患，尤其是博物館等文物場所的火災預防。公眾號：CAE_ANSYS

北京科技大學通過計算流體力學CFD模擬手段再現了巴黎圣母院的火災蔓延過程，為火災事故原因調查提供了初步的參考。

另外劉笑天老師從結構的角度模擬了，巴黎圣母院塔尖四棱錐模型的倒塌原因，主要是局部受熱，支撐梁彎曲，材料性能變弱，導致其應力不均衡，從而帶動整個結構，發生剛度崩潰，最終向一個方向倒塌的結果

縱觀過去的大火記錄，其原因除了人為縱火之外，剩下的大部分都是電路的短路引起的，那么電線短路到底有多大的危害，我們為什么要采用安全的電線，我們電氣仿真工程師從仿真的角度為大家來解釋一下電線發生短路的溫度變化情況。

我們定性的分析一下電氣設備發生故障，電氣設備發生短路之后的危害，從用三個方面來分析電線發熱的危害

0.用電設備正常使用，電流在額定電流以內導致電線溫度變化情況

1.用電設備長時間工作，導致電線逐漸發熱產生火災(如電熱水壺，電吹風機等時間使用的線路)

2.用電設備瞬間短路，導致用電設備和電線瞬間燃燒，產生火災（常規線路發生短路）

首先我們建立導線的模型和用電設備的模型

由于發生火災的時間是下午的6點50分，從歐洲人的傳統來看，這個時間段應該是大家休息的時間，不太應該是工作人員使用的大功率的用電設備導致的火災，應該是照明一類的燈泡或者監控，插線板等等小功率的設備，而且該設備沒有沒有人監管，不然火災也會及時的被發現熄滅。

不管什么設備，我們假定用電設備的合計功率為1100W，由于法國的電壓標準為220V，所以用電設備通過電流應該為5A，根據如下的導線載流量的表格可以知道，其電線的標稱橫截面為1.5mm2，就此我們建立標準的模型，結果如下所示

模型的橫截面如圖所示，兩相導線為火線和零線，外側為PVC絕緣材料，在材料屬性中輸入相應的屬性，建立導線銅和PVC材料，需要密度、比熱、導熱系數、電阻率等幾項參數，如圖所示

在模型分析時，我們不考慮用電設備對電線的熱傳導影響，因此接觸面設置很小的熱傳導系數，相當于絕熱，而電線采用常規水平散熱條件，由于電線放在木質地面上，假定地面沒有散熱，如圖所示

鑒于以上的設置，我們采用瞬態分析方法，給定相應的電壓和電流，進行如下三次結果的分析

1.用電設備正常使用

在此，我們假定用電設備的電阻較大，額定電壓為220V，相應的設備正常使用的電流為5A，則經過電熱耦合的瞬態計算，我們獲取相應電線溫度分布情況，達到穩態時間，如圖所示

經過計算我們可以發現橫截面為1.5mm2的導線在5A的電流情況下，電線整體溫度在半小時左右達到穩定狀態，其溫度值約為40度（環境溫度22度，以下相同），該溫度在合理范圍之內，且不會引發火災等重大災害，故載流量有一定的使用余量.正常使用沒有發熱相關的問題。

2.用電設備超負荷使用

用電設備超負荷使用，是指設備的故障或者用電設備電流過大，導致電線的載流量不滿足要求，大功率設備使用小截面的電線

本次分析采用的電線截面為1.5mm2，最大載流量為20A，我們假定設備超負荷運行，電流達到了25A,則通過瞬態分析我們獲取溫度結果如圖所示

通過計算，我們發現電線在超負荷運行時，1200s時達到穩定狀態的溫度已經達到265度，這個溫度很顯然已經嚴重超標，導致外側 絕緣發生了燃燒，而且導線在超載情況下不到1分鐘即達到了100度，已經嚴重危險，這就是為什么燒水壺、吹風機等用電設備在使用劣質插座的時候，插座電線在使用一會之后開始冒煙燃燒，所以如果有裝修的家庭或買插座等用電設備的，一定要注意電線截面，寧可多花一倍的錢也不要有發生火災的 隱患。

3.用電設備發生短路

當用電設備發生短路的時候，則電流瞬間達到很大值，本次我們假定電壓為220V，用電設備的導線為10m長，橫截面為1.5mm2，則電線的電阻為1.71e-8*10m/1.5mm2=0.114Ω，則相應的短路電流為220V/0.114Ω=1929A，實際情況由于線路長度和電感的影響導致結果有所不同，我們假定電流為1920A，瞬態分析之后我們查看結果

通過結果，我們可以看到，當小截面的電線承載短路電流的時候，銅線幾乎在0.1s左右就達到銅的熔點，導致導線融化，引發外側絕緣材料的燃燒，當然在實際情況下，由于短路的發生，會觸發上級電路的斷路器，導致電路瞬間被切斷，從而保護用電設備和防止發生火災

本次分析通過ANSYS Workbench的熱電耦合分析模塊，更改為瞬態分析，獲取隨時間變化 情況下，電線發熱導致的問題。通過以上分析可以初步得知，巴黎圣母院的木質結構導致其易燃性，另外鋪在地上的導線發生短路或超負荷運行或者線路老化導致線路的有效載流面積減小從而發熱嚴重，引發導線燃燒，再引起周圍木質結構等易燃品的燃燒，最終導致了悲劇的發生。

作者：范文哲（fwz0703@163.com，公眾號：CAE_ANSYS）